JP2009152440A - 発熱体の温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体の均一な温度調整、防水・防塵性能の向上、及び小型・軽量化等を同時に実現できる発熱体の温度調整装置を提供する。
【解決手段】冷却媒体通路９に配置されるヒートシンク１２と、バッテリモジュール１と密着した状態で設けられる受熱板１０と、受熱板１０とヒートシンク１２を半導体２０ｃによる熱移動で熱的に連結する熱電素子部材２０を備える。バッテリモジュール１は受熱板１０に密着した状態で設けられるため、防水・防塵性能を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発熱体の温度調整装置に関する。

従来、発熱体としての複数のバッテリモジュールの間に冷却風を通過させて各バッテリモジュールを冷却するようにした技術が公知になっている（特許文献１参照）。
特開２００７−１７２９８２号公報

しかしながら、従来の発明にあっては、複数のバッテリモジュール間に冷却風を通過させて各バッテリモジュールを直接冷却していたため、バッテリモジュール間に流入する冷却風の流量も異なる上、バッテリモジュール間を流れる冷却風の温度はその上流側と下流側で異なるため、バッテリモジュールの部位によって温度差が生じ、バッテリ残量を有効に活用できず、寿命の悪化にも繋がるという問題点があった。
また、バッテリモジュール間の防水・防塵性能能が低いという問題点があった。
さらに、バッテリモジュール間に冷却風を流すための空間が必要になり、バッテリの大型化や接続配線の延長による抵抗の増大を招くという問題点があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、発熱体の均一な温度調整、防水・防塵性能の向上、及び小型・軽量化等を同時に実現できる発熱体の温度調整装置を提供することである。

請求項１記載の発明では、放熱空間に配置される放熱部と、発熱体と密着した状態で設けられる受熱部と、上記受熱部と放熱部を冷媒による熱移動で熱的に連結する連結部を備えることを特徴とする。

請求項１の発明では、第１連結部を介して発熱体と放熱部との間で熱を移動でき、発熱体を均一に温度調整できる。
また、受熱部は発熱体に密着した状態で設けられるため、防水・防塵性能能を向上できる。
さらに、発熱体を電気的に接続した複数のモジュールとした場合に各モジュール間に冷却媒体を流通させるための空間を形成する必要がなく、小型・軽量化等や配線抵抗の低減を実現できる。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

以下、実施例１を説明する。
図１は実施例１のバッテリパックの平面図、図２は実施例１のバッテリパックの内部を説明する断面図、図３は実施例１のバッテリモジュール、受熱板、ヒートパイプ、ヒートシンクを組み付けた斜視図、図４は実施例１の受熱板とヒートパイプの固定を説明する分解図である。
図５は図１のＳ５−Ｓ５線における断面図、図６は実施例１の受熱板とヒートパイプの固定を説明する図である。

先ず、全体構成を説明する。
図１、２に示すように、実施例１の発明では、後述するバッテリモジュール１（請求項の発熱体に相当）等を収容した箱状の筐体２を有するバッテリパック３が備えられ、例えばハイブリッド自動車の電動機（主に走行用モータ）に電気を供給するためのバッテリとして車両に搭載されるものである。

筐体２の四隅の一角に相当する部位には、筐体２に開口された導入口４から冷却風（請求項の冷却媒体に相当）を筐体２内に導入するための入口パイプ５が連通接続される他、この入口パイプ５の途中には冷却風を筐体２内へ送出するためのファン６が設けられている。
また、筐体２の四隅の入口パイプ５と対向する位置には、筐体２に開口された排出口７から後述するバッテリモジュール１を冷却後の冷却風を筐体２外へ排出するための出口パイプ８が連通接続されている。
これにより、筐体２内には、図２中一点鎖線矢印で示す冷却風が導入口４から排出口７へ向かう冷却媒体通路９（請求項の放熱空間に相当）が形成されている。

図３、４に示すように、筐体２内には、バッテリモジュール１と、受熱板１０（請求項の受熱部に相当）と、ヒートパイプ１１（請求項の第２連結部に相当）と、熱電素子部材２０（請求項の第１連結部に相当）と、ヒートシンク１２（請求項の放熱部に相当）とが組み付けられた状態で収容される他、ヒートシンク１２は前述した冷却媒体通路９に配置されている。

バッテリモジュール１は、図示を省略する車両の電動機（主に走行用モータ）に電気を供給するためのものであって、公知のように、繰り返し充放電が可能なニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、またはリチウムイオン電池等の二次電池が採用されている。
また、バッテリモジュール１は、冷却媒体通路９の長手方向と直交する方向へ長い長尺の板状に形成される他、図５に示すように、後述する受熱板１０によって縦３個×横２個に並べられた状態で組み付けられたバッテリモジュール１ａ〜１ｆで構成されている。
また、図２に示すように、各バッテリモジュール１ａ〜１ｆ同士は、筐体２との隙間Ｈ１に配設された図示を省略する接続配線により、互いに電気的に直列または並列に接続されている。

図５に示すように、受熱板１０は、互いに接合され、且つ、バッテリモジュール１ａ〜１ｆの内側にそれぞれ密着した状態で組み付けられた２枚の板状の内側受熱板13,14（請求項の分割部に相当）と、バッテリモジュール１ａ〜１ｆの外側に組み付けられた外側受熱板15,16で構成されている。
また、受熱板１１〜１４には、その厚み方向に凹設された溝１７が各受熱板１１〜１４の長手方向の全長に亘って形成されると共に、各溝１７にそれぞれ対応するバッテリモジュール１ａ〜１ｆの各部が嵌合した状態で組み付けられている。
従って、各バッテリモジュール１ａ〜１ｆ同士間とそれらの外周部は受熱板１０によって略覆われた状態となっている。
なお、実施例１では、バッテリモジュール１ａ〜１ｆと外側受熱板15,16の溝１７との間には矩形状の隙間Ｈ２が貫通形成されているが、この限りではない。

ヒートパイプ１１は、内側受熱板13,14の内部、詳細には各バッテリモジュール１ａ〜１ｆの幅方向中央位置にそれぞれ収容されたヒートパイプ１１ａ〜１１ｃで構成されている。
具体的には、図４に示すように、内側受熱板13,14同士の接合面には、各ヒートパイプ１１ａ〜１１ｃを収容するための半円形断面の溝18a,18bが内側受熱板13,14の長手方向の全長に亘ってそれぞれ形成されており、各ヒートパイプ１１ａ〜１１ｃを収容する際には、先ず、図６（ａ）に示すように、内側受熱板13,14の間に、予め製造すべき外径よりも僅かに大きな外径を有するヒートパイプ１１の母材Ｗをそれぞれ配置する。
次に、図６（ｂ）に示すように、図外のプレス用成形装置で内側受熱板13,14を当接させて、円形状に重なった溝１８で母材Ｗをプレス成形して所望の外形に変形させることにより、ヒートパイプ１１と溝１７を密着させることができるようになっている。
なお、その後、少なくとも内側受熱板13,14同士は図外の溶接または固定部材等により接合される。

ヒートパイプ１１は、冷媒が封入された円形断面の管状部材で構成されており、その一端部は、内側受熱板13,14の端面と当接した平板状の受熱板２１に図外の溶接で固定されている。
ヒートパイプ１１は、公知のようにサイホンと同様の動作原理で作動する。
実施例１では、内側受熱板13,14と密着した加熱部で冷媒の蒸発が生じ、冷媒の蒸気がヒートシンク１２側の冷却部に移動して凝縮し、ここで、蒸発潜熱の受け渡しが行われる。
その後、凝縮した冷媒はヒートパイプ１１内に設けられた図示を省略するウィックの毛細管作用で加熱部へ再び戻ることにより、加熱部から冷却部への熱の移動が行われるようになっている。

さらに、受熱板２１は、各ヒートパイプ１１の接続位置に対応して設けられた３つの熱電素子部材２０を介してヒートシンク１２に連結されている。
熱電素子部材２０は、熱電素子（所謂ペルチェ素子）等が収容された箱状の容器で構成されており、その一方側側面は受熱板２１に密着した状態で図外の溶接または固定部材等で固定される一方、他方側側面はヒートシンクの基部１２ａに密着した状態で図外の溶接または固定部材等で固定されている。

熱電素子部材２０は、公知のようにペルチェ作用と同様の動作原理で作動する。
実施例１では、図２の拡大図に示すように、内面が対向している２つの基板20a,20bに電極を介して接合されたｐ型及びｎ型の半導体２０ｃ（請求項の熱電素子に相当）がπの字形に交互に連結され、この半導体２０ｃに図中矢印で示す所定方向へ直流電流を流すことにより、受熱板２１側からヒートシンク１２側へ熱を移動させて、受熱板２１と当接した一方側側面で吸熱（冷却）させ、ヒートシンク１２の基部１２ａが当接した他方側側面側で発熱（放熱）させることができるようになっている。

ヒートシンク１２は、冷却媒体通路９を流れる冷却風の流れに沿って所定間隔で配置された複数（実施例１では５枚）の薄板状のフィン１９で構成される他、その基端側が前述した板状の基部１２ａに立設した状態で設けられている。

その他、実施例１では、少なくとも受熱板１０、ヒートパイプ１１、ヒートシンク１２、及び熱電素子部材２０の各部はアルミや銅等の熱伝導性が高い素材を用いて形成されている。
また、ヒートパイプ１１は省略することもできる。

次に、作用を説明する。

［バッテリモジュールの冷却について］
このように構成されたバッテリパック３では、冷却風を図外の供給元から入口パイプ５を介してファン６で導入口４から筐体２内に導入した後、冷却媒体通路９を通過させた後、排出口７から出口パイプ８を介して筐体２外の図外の排出先へ排出する。

なお、冷却風の供給元は、例えば、車室内空調用のエアコンの風（または車室内空気）が用いられ、バッテリモジュール１の温度に応じて冷却風の温度とファン６による導入量を調整できるようにする。なお、バッテリモジュール１の温度はその発熱量により算出できる。
一方、冷却風の排出先は、例えば、車外（または車室内、トランクルーム等とする。

そして、熱電素子部材２０に通電して、各バッテリモジュール１が発熱して発生した熱を、受熱板１０で受熱させた後、ヒートパイプ１１及び熱電素子部材２０を介してヒートシンク１２に移動させると共に、フィン１９で冷却風と熱交換させて放熱させることにより、バッテリモジュール１を冷却できる。
この際、前述したように、各バッテリモジュール１、受熱板１０、ヒートパイプ１１、熱電素子部材２０（受熱板２１共）、ヒートシンク１１の基部１２ａは互いに密着した状態で組み付けられているため、バッテリモジュール１の熱をヒートパイプ１１及び受熱板２１を介して熱電素子部材２０に効率良く伝達でき、バッテリモジュール１を効率良く冷却できる。
また、ヒートシンク１２のフィン１９を冷却風の流れ方向に沿って配置しているため、冷却風を冷却媒体通路９にスムーズに流して放熱効果を促進できる。

従って、冷却風を各バッテリモジュール１ａ〜１ｆ間に通過させて冷却する場合に比べて、冷却風の上下流の温度差や不均一な流通によってバッテリモジュール１の部位によって温度差が生じる虞がなく、バッテリモジュール１を均一に冷却でき、バッテリモジュール１の残量を有効に活用できると同時に長寿命化を実現できる。

［防水性・防塵性能について］
また、実施例１では、前述したように、各バッテリモジュール１ａ〜１ｆ間に冷却風が通過しない上、各バッテリモジュール１ａ〜１ｆは受熱板１０で略覆われた状態で組み付けられるため、防水性・防塵性能に優れる。
加えて、ファン６のモータは通常、各バッテリモジュール１ａ〜１ｆ間の摩耗粉の詰まりを防止するために、摩耗粉の発生が少ないブラシレスモータを採用することが多いが、実施例１では、ブラシ付きモータを採用することも可能となる。

［受熱板の治具化とバッテリモジュールの小型・軽量化について］
また、実施例１では、前述したように、各バッテリモジュール１（ヒートパイプ１１共）を組み付けるための治具として受熱板１０を兼用できる。
また、各バッテリモジュール１は互いに電気的に接続する配線を短くして抵抗を少なくしたいという要求があるため、複数のバッテリモジュール１を共用の受熱板１０で近接した状態で正確・容易に位置決め・組み付けできると同時に、小型・軽量化を実現できる。
また、受熱板１０を各バッテリモジュール１で共用させることになり、受熱板１０を介して全てのヒートパイプ１１に熱を伝達でき、好適となる。
さらに、実施例１では入口パイプ５及び出口パイプ８を筐体２の一方側に配置しているため、筐体２の両側に分けて配置した場合に比べて、バッテリパック３を小型化できる。

次に、効果を説明する。
以上、説明したように、実施例１では、冷却媒体通路９に配置されるヒートシンク１２と、バッテリモジュール１と密着した状態で設けられる受熱板１０と、受熱板１０とヒートシンク１２を半導体２０ｃによる熱移動で熱的に連結する熱電素子部材２０を備えるため、バッテリモジュール１の均一な冷却、防水・防塵性能の向上、及び小型・軽量化等を同時に実現できる。

以下、実施例２を説明する。
実施例２において、上記実施例１と同様の構成部材については同じ符号を付してその説明は省略し、相違点のみ詳述する。

バッテリモジュール１の低温時には、内部抵抗が高くなって放電出力が低下してしまうため、バッテリの作動初期には速やかに常温になるように加熱することが望ましい。
そこで、実施例２では、バッテリモジュール１の低温時には、半導体２０ｃの直流電流を実施例１の所定の方向とは反対方向に流して、ヒートシンク１２側から受熱板２１側へ熱を移動させて、受熱板２１に当接した一方側側面で発熱（放熱）させ、ヒートシンク１２の基部１２ａに当接した他方側側面側で吸熱（冷却）させることにより、バッテリモジュール１を暖めることができる。
なお、この際、冷却媒体通路９には車室内空調用エアコンの温風を流すようにしても良い。

従って、バッテリモジュール１の低温時に、バッテリモジュール１を加熱でき、放電出力が低下してしまうのを防止できる。

以上、実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、実施例１では、発熱体をバッテリモジュール１に適用した例を説明したが、走行用モータのインバータ回路等に適用しても良い。
また、ヒートパイプは、吸熱と放熱ができるように、内部で冷媒が循環すればよく、ウィックの毛細管作用を用いず内部で循環させる他の構造のものであっても良い。
同様に、熱電素子部材は、吸熱と放熱が異なる面でできればよく、ペルチェ以外のものであっても良い。

また、実施例１で説明した各構成部材の詳細な部位の形状、形成数、配置、固定方法、素材等は適宜設定できる。
例えば、図７に示すように、偏平断面状のヒートパイプ３０を採用しても良い。
また、図８に示すように、ヒートシンク１２の形状、例えばフィン１９の向きや枚数を変えたものを採用しても良い。
さらに、図９に示すように、筐体２内の両側に冷却媒体通路９を形成して、ここにヒートパイプ１１の他端部に連結された熱電素子部材２０（受熱板２１共）及びヒートシンク１２を設けても良く、この場合、さらにバッテリモジュール１を効率的に温度調整できる。

実施例１のバッテリパックの平面図である。 実施例１のバッテリパックの内部を説明する断面図である。 実施例１のバッテリモジュール、受熱板、ヒートパイプ、ヒートシンクを組み付けた斜視図である。 実施例１の受熱板とヒートパイプの固定を説明する分解図である。 図１のＳ５−Ｓ５線における断面図である。 実施例１の受熱板とヒートパイプの固定を説明する図である。 その他の実施例のヒートパイプの断面形状を説明する図である。 その他の実施例のヒートシンクを説明する図である。 その他の実施例のバッテリパックの内部を説明する断面図である。

符号の説明

Ｈ１、Ｈ２ 隙間
Ｗ 母材
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ バッテリモジュール
２ 筐体
３ バッテリパック
４ 導入口
５ 入口パイプ
６ ファン
７ 排出口
８ 出口パイプ
９ 冷却媒体通路
１０ 受熱板
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ ヒートパイプ
１２ ヒートシンク
１３、１４ 内側受熱板
１５、１６ 外側受熱板
１７、１８、１８ａ、１８ｂ 溝
１９ フィン
２０ 熱電素子部材
２０ａ 金属板
２０ｂ、２０ｃ 半導体
２１ 受熱板
３０ ヒートパイプ

Claims (11)

1. 放熱空間に配置される放熱部と、
   発熱体と密着した状態で設けられる受熱部と、
   前記受熱部と放熱部を熱電素子による熱移動で熱的に連結する第１連結部を備えることを特徴とする発熱体の温度調整装置。
2. 請求項１記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記第１連結部は、内面が対向している２つの基板の間に配設された熱電素子に所定方向へ電流を流すことにより、受熱部側で吸熱し、放熱部側で放熱することを特徴とする発熱体の温度調整装置。
3. 請求項１または２記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記受熱部と第１連結部を冷媒による熱移動で熱的に連結する第２連結部を備えることを特徴とする発熱体の温度調整装置。
4. 請求項３記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記第２連結部を管状部材の中に冷媒を封入したヒートパイプとしたことを特徴とする発熱体の温度調整装置。
5. 請求項４記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記ヒートパイプを偏平断面状に形成したことを特徴とする発熱体の冷却装置。
6. 請求項４または５記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記ヒートパイプを受熱部の内部に設けたことを特徴とする発熱体の温度調整装置。
7. 請求項６記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記受熱部を、それぞれ重ね合わせた際に製造すべきヒートパイプの外形と合致する溝を有する複数の分割部で構成し、
   前記製造すべきヒートパイプよりも大きな外形を有するヒートパイプの母材を前記複数の分割部の溝内でプレス成形して、前記溝とヒートパイプとを密着させたことを特徴とする発熱体の温度調整装置。
8. 請求項１〜７のうちのいずれかに記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記発熱体を電気的に接続された複数のモジュールで構成し、
   前記受熱部は複数のモジュールを一体的に組み付ける治具を兼ねることを特徴とする発熱体の温度調整装置。
9. 請求項１〜８のうちのいずれかに記載の発熱体の温度調整装置において、
   前記発熱体を冷却媒体の導入口と排出口を有する筐体内に収容し、
   前記筐体内に、該筐体と発熱体との間で導入口から排出口へ向かう冷却媒体通路を形成し、
   前記冷却媒体通路に放熱部を配置したことを特徴とする発熱体の温度調整装置。
10. 請求項１〜９のうちのいずれかに記載の発熱体の温度調整装置において、
    前記放熱部を複数のフィンを有するヒートシンクとしたことを特徴とする発熱体の温度調整装置。
11. 請求項２〜１０のうちのいずれかに記載の発熱体の温度調整装置において、
    前記第１連結部は、熱電素子に前記所定方向とは反対方向へ電流を流すことにより、受熱部側で放熱し、放熱部側で吸熱することを特徴とする発熱体の温度調整装置。

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